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泥沙输运是河流中重要的水文现象,它对于河流的变迁有重大的影响(见河床演变)。河流中随水流输移或在河床、滩地上发生冲淤的岩土物质颗粒。岩石风化后的岩土是河流泥沙最主要的来源。当暴雨降到流域地表,在产流和汇流过程中,侵蚀坡地及沟壑的岩土,经水流输移到河流,形成河流泥沙。河流在输送泥沙过程中,还会冲刷河床或河岸,进一步增加泥沙量。当河流进入下游平原区时,比降减小,流速减缓,水流挟带的部分泥沙将沉积在河床或滩地。河流在人海口附近因流速锐减,泥沙将沉积在河口附近海域。

基本介绍

中国黄河是世界著名的多沙河流,《汉书·沟洫志》记:“河水重浊,号为一石水而六斗泥”,表明中国古时对黄河泥沙已有定量的认识。

泥沙特性

有泥沙颗粒的特性和泥沙群体的特性两种。泥沙颗粒的特性主要有:
①重度,单位体积泥沙颗粒的重量,以千克/米3表示,其数值随泥沙的岩性不同而异,矿物成分主要是石英和长石,泥沙的重度一般约2650千克/米3。
②粒径,泥沙颗粒大小的一种量度,有不同方法表示。常用的有等容粒径即体积与泥沙颗粒相等的球体的直径;筛径,即用具有不同孔径的标准筛,对泥沙进行分筛求出的粒径;沉降粒径,即根据粒径与沉降速度的关系算出的粒径等。
③沉速,指泥沙颗粒在无边界静水内的沉降速度,以米/秒或毫米/秒表示。它也可作为泥沙颗粒大小的一种量度,故又称泥沙的水力粗度。沉速综合反映颗粒和水的特性,因
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而是泥沙运动的一个重要参数。
④细粒泥沙表面的物理化学性质,主要决定于颗粒表面双电层和吸附水膜的性质。细颗粒泥沙的絮凝(见河口泥沙运动)和分散等现象都与双电层和吸附水膜的结构有关。

群体特性

群体特性,泥沙总是由无数大小不同、形状不同和矿质不同的颗粒混合而成,呈群体形式存在。这种泥沙群体主要的统计特性有:
①粒径分布,一般颗粒大小差异较大,很离散,常用泥沙颗粒级配曲线表示(图1)。
②泥沙颗粒粒径的算术平均值称算术平均粒径。
③中值粒径,即在泥沙颗粒级配曲线上与纵坐标50%相应的粒径,在全部沙群中,大于或小于这一粒径的泥沙在重量上刚好相等。用中值粒径概括泥沙群体的粒径能较小受极端值(最大及最小粒径)的影响。
④泥沙群体的干容重和孔隙率,干容重指单位体积泥沙群体内干燥泥沙的重量,以吨/米3计。孔隙率指单位体积泥沙群体内空隙所占的体积。
⑤均匀沙的群体沉速,当大小相同的沙粒群体的含沙量大于 2%左右时,颗粒将相互牵连,混为一体,全部颗粒以同一速度下沉,这种沉速称为均匀沙的群体沉速。

泥沙分类

泥沙按粒径特性和输移特性分类。按粒径特性分类较著名的有:阿特尔贝里分类,创于19世纪初期,1927年为国际土壤学会所采纳,在欧洲广泛应用;温特沃思分类,1947年美国地球物理学会制订的新分类标准与温特沃思分类基本相同。
按泥沙输移特性分为推移质和悬移质(见河流泥沙运动)。在悬移质泥沙中,部分细颗粒泥沙随水流一泻千里,不在河槽中沉降,不参与河床泥沙的交换,称冲泻质或非造床质;其余较粗颗粒则参与河床泥沙的交换和冲淤变化,称为床沙质或造床质。推移质一般仅占悬移质泥沙的5~10%,在山区河流,有时可占10~20%或更多。
中国沙玉清于1947年研究泥沙分类,在传统分类的基础上提出了比较全面的泥沙分类(表1)。

含沙量和输沙量

单位体积浑水中所含泥沙的数量称含沙量,单位为千克/米3。一定时段内通过河道某断面的泥沙数量称为该时段的输沙量,单位为千克或吨。表2为中国某些河流多年平均含沙量和输沙量。  输移泥沙的时空分布  河流含沙量随时间而变化。一年中最大含沙量出现在汛期,最小含沙量在枯水期。在一次洪水过程中,最大含沙量称沙峰。沙峰不一定与洪峰同时出现,一年中首场大洪水的沙峰常比洪峰出现早,以后则可能同时出现,也可能沙峰滞后于洪峰(图2)
含沙量沿水深的分布,通常在水面处最小,河底处最大。悬移质中粗粒泥沙含量近河底很大。自河底向上则急剧减小。较细的颗粒,如粉砂和粘土,沿水深的分布则较均匀。含沙量沿水深基本呈某种指数曲线分布,指数值与泥沙颗粒的大小和水流条件有关。由于水内各种副流的影响,最大的含沙量也可能不在靠近河底,而是在河底以上的某一位置。
含沙量在河流横断面上的分布随断面上水流情况不同而异。如水流在断面上的分布比较均匀,含沙量的横向分布较均匀。如水流情况较复杂,则含沙量的横向分布往往很不均匀。含沙量沿河长的分布,一般从上游向下游递减,也取决于流域产沙特性、河道特性和支流汇入等因素的影响程度。黄河中游流经黄土高原,沿途有高含沙量的支流汇入,因而含沙量反而沿程增加,下游河床开阔,大量泥沙落淤,含沙量才趋向减小。

泥沙运动基本规律

包括泥沙的沉速、泥沙的起动、河流的沙波运动、河道阻力、推移质运动、悬移质运动以及水流挟沙力等。河流泥沙运动的特殊形态还有高含沙水流、泥石流、异重流和波浪作用下的泥沙运动等。根据河流中泥沙运动的形式,把泥沙区分为推移质泥沙和悬移质泥沙。推移质泥沙是指在河床面上滑动、滚动或短时间跃离然后又落回床面的泥沙颗粒;悬移质泥沙是悬浮在水流中随水流运动的泥沙颗粒。在一定水流条件下,这两类泥沙可能同时存在,它们相互之间以及和床沙之间不断存在着交换。冲积河流中挟沙水流的运动是一种相当复杂的现象。在运动过程中,水流和泥沙相互发生作用。一方面水流通过消耗其紊动能量挟带和输送泥沙;另一方面,泥沙的存在又反过来改变水流的物理性质和水流结构,从而影响水流中能量、流速和含沙浓度。特别当水流中泥沙含量较高时,不能忽视泥沙对水流结构的影响。

河流泥沙运动特征

起动流速

泥沙从静止到起动时的临界流速叫起动流速。泥沙从运动到静止时的临界流速叫止动流速。在观测和试验基础上建立的起动流速公式很多,各有其适用条件。

沙波运动

沙波又称沙浪,是天然河流中泥沙运动的一种形式,沙波的迎水面流速较大,是冲刷区。波峰以后,流速减小,出现横轴旋涡,部分泥沙沉积在波谷,为淤积区。沙波迎水面冲刷,背央淤积,使沙波大体上呈不变外形,以缓慢速度向下游移动。这一推移过程也是推移质向下游输沙的过程,故推移质输沙率和沙波现象有密切的关系。沙波是在泥沙起动后出现的。如果流速加大,泥沙运动加尉到某一程度后,沙波会自行消失。所以,沙波现象只是泥沙运动到某一阶段产生的现象,而不是泥沙运动必然有的现象。沙波的出现加大了河床的频率,影响了水流的结构,而水流结构又影响泥沙运动。这种互为因果的现象,对于了解河道水流阻力和水头损失是十分重要的。

悬移质泥沙的分布

悬移质泥沙的含沙量,在垂线方向上的分布是不均匀的,断面上的分布通常水面小而河底大,自水面向河底逐步增加。由于水流的脉动和紊流能量变化的影响,断面上某一固定位置的水流含沙量也有脉动现象。因此,进行含沙量测验时,要有足够的取样时间,以消除脉动影响。

水流挟沙能力

河流中悬移质泥沙,在随水流运动的过程中,可能有细颗粒悬浮起来,也可能会有粗颗粒沉积下去。如果下沉的颗粒多于悬浮的颗粒,则河床发生淤积;相反,则河床发生冲刷。如二者相等,就说明水流含沙达到饱和,这种饱和含沙量叫做水流挟沙能力。在天然河流中,推移质的数量一般占的比重不大,并且在水文测验与分析计算中对悬移质和推移质是分别进行的,因此通常所指的挟沙能力仅指悬移质泥沙而言。水流挟沙能力是水流、泥沙和河床条件综合影响的结果,是一项十分复杂的课题。目前,研究这个问题大致有两种方式:一是从能量平衡观点建立通用公式,二是从实测资料分析建立经验公式。

水利水电工程中的泥沙问题

(1)泥沙在水库中沉积会侵占水库的调节库容,减少水库调节能力,降低水库的防洪能力和兴利效益。水库中泥沙的沉积还会使水库回水上延,抬高上游地区的洪水位,增加淹没损失和浸没损失。(2)泥沙在水库变动回水区淤积可能导致航深不足,发生碍航现象。(3)低水头枢纽或已淤至平衡阶段的水库,泥沙推进至坝前,可能产生电站进水口淤堵,泥沙进入水轮机组造成磨损等问题。(4)对于具有通航建筑物的水利枢纽,通航建筑物上下游引航道中的泥沙淤积会引起通航的困难。(5)泥沙在引水渠系中的淤积会导致引水流量不足,供水效益降低,并耗费大量清淤的人力和物力。(6)在水库拦蓄泥沙后,清水下泄可能造成下游河道的冲刷下切及河道展宽,甚至引起河势变化,影响堤防、护岸、取水建筑物等工程设施的安全和效益。(7)平原河道中累积性的泥沙淤积会抬高洪水位,降低河道宣泄洪水的能力,增加洪水的灾害和损失。(8)航道港口及河口的泥沙淤积,影响航运及河口演变。

河流泥沙问题的研究方法

可以概括成3个方面:①室内的水槽试验和实物模型的试验研究;②通过数学模型对泥沙问题进行计算和分析;③利用野外观测资料和已建工程的原型观测资料进行分析。目前泥沙理论还不够成熟,通过不同途径,对生产中的泥沙问题进行多方面的综合研究是必要的。
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